美全线狙击中国半导体,自主光刻机何时能战?

原创 文/查攸吟 时间:2022-10-21 15:29

这倒不是说只有光刻机是问题,但光刻机毕竟是困扰半导体产业自主最大短板。

本月7日,美国政府进一步收紧半导体产品对华出口的政策,并且在幅度和覆盖范围上堪称近年来最大规模。此举,对国内半导体产业构成了重大冲击。

此次制裁大致可分为四个方面:

1.产品和生产层面

限制中国获得先进制程下的高算力、人工智能芯片,既包括禁止英伟达、AMD等美国公司向中国销售此类芯片,也包括限制中国人工智能芯片公司在美国技术下的海外晶圆代工厂进行流片;

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此前被限制对华出口的英伟达H100芯片

2.材料和设备层面

限制应用材料、泛林、科磊等美国设备厂商向任何中国公司出售半导体设备,国内大型的晶圆代工厂将受到较大影响;

3.服务与业务层面

将31家中国公司、研究机构及其他团体列入所谓“未经核实的名单”(UVL清单),限制它们获得某些受监管的美国半导体技术能力,如使用美国公司的EDA软件进行芯片设计,或采购美国公司的设备来制造芯片;

4.人员层面

明确禁止美国人(美国籍以及持美国永居权人员)为中国半导体的发展提供任何帮助,包括但不限于限制中国公司在美设立研发机构等。

这一管制措施影响巨大,大到了直接下达管制措施的美国商务部工业和安全局(BIS),必须专门召开说明会以正视听,避免误读和不必要的恐慌情绪。

全员“享受”华为待遇

根据BIS的说明会,本次的管制措施将禁止美国企业或者使用了美国相关技术的企业,向中国供应先进的计算芯片制造设备和其他产品。同时为向中国出口IC半导体制造“设施”,增加了新的许可证要求。

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BIS划下的红线,包括18纳米或以下的DRAM芯片、128层或以上的NAND闪存芯片、14纳米或以下的逻辑芯片。美国供应商若向中国本土芯片制造商出售尖端生产设备,必须申请许可证并将受到严格审查。

中国实体拥有的设施许可证,将面临“拒绝推定”,即以拒绝为基本态度,然后考虑有什么特殊的理由可以进行许可。

简而言之,国内IC产业差不多全部的企业,无论是无晶圆工厂还是晶圆代工厂,差不多一起领到了华为在2020年5月“享受”到的第二轮制裁待遇。

尽管ASML部分顶住了美国官方的施压,可以继续向中国晶圆工厂出售不包括最先进的NXT:2050系列的DUV光刻设备,但是中国购买方必须承诺限制其对于14nm以下制程的使用情况。

最近一年多来,国内异军突起的闪存(NAND)强势企业长江存储,以及在内存(DRAM)领域优势日显的合肥长鑫,在此轮“一刀切”式的突然打击中首当其冲。

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再先进的IC设计,没有足够实力的晶圆厂代工,一切也是枉然

Xtacking®是长江存储引以为傲的核心专利与金字招牌。从技术角度解释Xtacking®,我们可以简单地将之理解为把固态存储体的逻辑电路与存储单元,分别放到不同的晶圆上进行加工。

存储单元实际不需要28nm以下的先进制程,逻辑电路虽然摸到了28nm以下这个先进制程的门槛,但实际可以用22nm来做。但在这一波管制措施落下以后,28nm以上制程BSI虽然名义上不禁,但是考虑到未来可能的加码问题,目前需要的已经不再仅仅“去美”,而是需要完全国产化。

由于纯自主光刻设备目前只能保障45nm制程,理论上可实现28nm,所以长江存储实际上是必须等待其晶圆代工厂获得新一代自主设备。

同样的问题在合肥长鑫身上显得更为严重,因为NAND也许可以不用先进制程,但是DRAM却是必须的。典型的例子,三星海力士为了尽快搞定先进的DDR5颗粒,都直接上马了ASML的极紫外设备(EUV)。

可以想见,如果事情在近期未能有所转机的话,那么合肥长鑫不但DDR5产品线会全线瘫痪,甚至DDR4的生产都会受到影响。

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合肥长鑫与长江存储的廉价存储颗粒,一度颠覆了市场。然而中国用户们好日子还没过上几天,一切就要回到过去吗?

当然,我们也应该庆幸的是,美方这一轮管制措施实施的时间点,其实并不那么好。起码合肥长鑫的DDR5与长江存储的128层以上先进闪存颗粒,都只是初步搞定了方案和工艺,尚未投入巨资进行扩产。对于企业而言,直接损失尚未造成。

美方的新管制措施,从另一个角度而言,实际也利好一部分国内企业。比如说,搞自动驾驶的那些科创公司。

根据最近的一系列管制,几乎可以肯定的是,英伟达公司今秋发布的,计划2024年上市的THOR,对于国内造车新势力们而言基本没戏了。这是一枚单片算力可达2000 TOPS的性能怪兽,原本对国内企业现阶段公布的各款产品,是具有碾压优势的。但在目前这个情况下,国内所有致力于自动驾驶业务的主机厂所余下的选择,只有充分对14nm制程进行挖潜,以此来设计和生产的自主芯片产品了。好在,由于安装平台是汽车,对能耗和散热都没有个人便携式设备那么敏感,好好优化软件14nm制程实际也是足够的。

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尽管其同样必须考虑,管制措施未来大概率的加码问题。而这也就需要,我们尽快补全自主半导体产业上,最短的那块板——先进光刻设备。

绕不开的光刻机问题

建立独立的,至少也是无惧于美国长臂管辖措施的“去美”半导体产业链,是最近5年来,国内相关领域企业与机构共同努力的大方向。

去年末,C次元曾经推送过《光刻机之外,芯片自主我们还有哪些短板》一文,简单介绍了自主半导体产业链上每个环节当前的状况。而从中我们可以了解到,在经历过几年堪称卧薪尝胆式的努力后,几乎在每一个主要环节上,都已经有国内企业,站稳了脚跟。

甚至在部分环节上,我们的设备和材料,已经踏上了先进制程的门槛。

于是,问题的关键,又回到了日常被各路媒体最常念叨的生产工具,光刻机的上面。

把自主先进制程光刻机攻关关,等同于国内半导体产业崛起,这显然是不科学的。

然而考虑到这种生产工具的技术含量、复杂性,将其视为自主半导体产业突破的核心节点,实际也并不为过。

要谈光刻设备,首先就要对“先进制程”有一个明确的概念——制程越先进,则芯片上栅极构造尺寸越小。

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制程是有其物理极限的,而且已经近在眼前

栅极,英文写作Gate,即所谓的门电路。作为超大规模集成电路的基本构成单元,门(栅极)的长度越小,则芯片的制程越高,单位面积的运算能力越强。

本次美国商务部给中国企业画下“红线”的14/28nm制程,即栅极的几何尺寸在14/28nm一级。

一般而言,此类制程的芯片,使用目前主流的深紫外(DUV)光刻设备即可进行加工。使用荷兰的ASML公司在售的NXT:1980/2000/2050系列,或者较为早期的NXT:1950/1960系列,均可胜任。

尽管上述DUV光刻设备的理论精度只有28nm,但晶圆代工厂可以通过中芯国际(SMIC)标准的第二代先进工艺,即所谓的“N+1”将精度提升一倍,达到14nm级别。而如果采用SMIC第三代先进工艺(N+2),则可以在实际不使用NXE:3400/3600/5200等极紫外(EUV)设备的前提下,使用分辨率28nm的DUV设备,如NXT:1980/2000/2050等,完成7nm半导体器件的光刻加工。

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当然,上述是建立在成熟可靠的ASML设备这一基础之上的。而目前我们所面临的问题在于,ASML实际上只是现代半导体商用光刻设备的总集成商,诸多重要零部件以及子系统,如光源、离轴反射系统、量测系统等,均仰赖于美国供应商的支持。

以光源为例,其供应商为美国的cymer公司。这家企业虽然名义上早在2012年就已经被ASML收购,但总部以及生产中心仍在美国本土。一旦ASML胆敢无视美国商务部的禁令,则美国政府自有千般手段迫使其光源配件断货。

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光源是光刻机的核心器件

而光刻机若是没了“光”只剩下个“刻机”,显然也就成了一个巨大摆设。

所以,半导体产业想要自主,或者说是“去美”。光刻机这一环节是必须全力以赴啃下来的。在这方面,暂时我们可以把标准投射在ASML生产的DUV之上,EUV可以登上一等。毕竟,以“N+2”方式即可在成本上可以接受的范围内,实现7nm制程。

压力正集中到SMEE身上

已知的,现有的最先进自主光刻设备,是上海微电子(SMEE)在2017~2018年间通过国家验收的SSA600/20型前道光刻机。该设备的分辨率为90nm,通过“N+1”可用于45nm制程半导体器件的生产。

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SSA600/20型光刻机,单次曝光解析度90nm

可以直接加工28nm器件的更先进型号,此前在国家验收环节发生了意外,拖延了时日。但即使如此,该设备我们相信可以在2023年内通过验收,实现批量交付。

然而就笔者此前了解到的信息,新一代国产光刻机在交付之初,可能无法达到NXT:1980系列的技术水准。

问题出在精度控制层面。为设备提供镜头的是国王光学、光源供应商为科益虹源,双工台则是华卓精科的产品,无论加工精度、运动控制精度,还是在器件频率上,这三家现阶段提供的产品,较之NXT:1980里面的同类产品,存在一定的差距。

所以笔者认为,自主设备大致可以对标ASML公司2011年发布的NXT:1960系列,但较之2015年上架的NXT:1980系列仍存在一定的差距。

那么,这种对标NXT:1960的设备能实现哪一级的制程呢?大约等同于台积电(TSMC)于2017年完成10nm工艺(实际栅极几何尺寸约为14nm上下),但无法实现2018年发布的7nm工艺(按照Intel标准实际10nm)。

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通过国家验收,批量生产并交付晶圆工厂。然后由厂方组织部署生产线,安装2~3台工程机,并让工程师摸索和熟悉设备,一边摸索和积累经验,一边将各种问题和故障提交给SMEE的驻厂人员,逐步将产能提高到日200~300片的规模。

在技术问题上,包括公众在内的所有人,都应该秉持科学的态度,以务实的方式去解决问题。我们不应该对国内IC产业的发展心怀一步登天式的幻想,但也同样不应该妄自菲薄,随便因为什么风声和流言,就轻易痛心疾首。

实际上在2025年以前,新一代自主光刻设备能够确保拿下14nm制程节点,并且做到上面提到的产能,就已经堪称重大胜利。因为这便意味着实际已经踏上了美国给我们画下的那道“红线”。而设备的进一步提升,也离不开从实际生产中摸索到的宝贵经验。只有通过不断地磨合与改进,才能向着更高的水准冲刺。

本文所提及的内容,有效期会一直持续到下一轮管制措施的到来。对此我们不该有任何的幻想:在其架构的国际秩序彻底崩盘,盟友分崩离析之前,美国是绝对不会放弃对我国半导体产业,乃至于一切前沿突破领域,进行全方位打压的。

所以,“加码”是必然会到来。

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中国并非日本这种美国的属国

这其中唯一能让人略感到宽慰的是,今日的中国并非40年前的日本。由于我国具有独立的军事工业,以及在世界范围内堪称强大的国防力量,现阶段我们还不用担心自己的半导体企业,会被美国一刀切施以类似华为第四轮制裁那种等级的措施。

因为这无异于彻底切断中美经贸联系,是彻头彻尾的准战争行为,其后果不是美国所能承受的。

当然,事情既然发展到了今日这种地步,我们其实已经没必要对此心怀愤懑。

既然美国掌握了核心技术,那么它当然可以决定将包含这些核心技术的设备出售给谁、不出售给谁。尽管ASML是一家荷兰企业,但实际上,它只是被美国认可的“打工人”。决定权从来就不在ASML自己。

这并不是说,中国企业就不该去指责。毕竟全球化、自由贸易这些大道理,也是美国最先提出来的。说撕毁就撕毁,这嘴脸确实是难看至极。所以话其实已经说白了:中美之间的矛盾,本质上没有是非对错,而只有立场——你站在美国那一边,自然是打压有理;而如果你站中国,当然可以骂美国伪善与无耻。

至于那些受困于美方禁令,被迫从国内半导体企业“提桶跑路”的美籍高管,笔者还是建议大家秉持宽容和理解的态度吧。谁不是在讨生活呢?毕竟他们的离开也是迫不得已,在此前的数年间,也曾帮助国内企业做了很多的实事。

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伴随美挑衅舰之,航行于南海之上的中国052D型驱逐舰

一言以蔽之,暂时的压力虽然巨大,但一切都还在可控范围之内。只要我们不被“速胜论”和“亡国论”蒙蔽双眼,坚定地按照原本的计划一步一步向前迈进,短期的苦难终会过去,而最终的胜利必将属于我们。

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